Trasformatori: classificazioni e campi d’impiego

Trasformatori: classificazioni e campi d’impiego

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Il trasformatore è una macchina elettrica che permette il trasferimento di energia elettrica, sotto forma di correnti alternate monofasi o polifasi, da un circuito elettrico ad un altro modificando i parametri della potenza, tensione e corrente. Da ciò appunto il nome di trasformatore.

L’importanza del trasformatore, (il suo simbolo grafico è generalmente quello riportato in Figura 1), può essere evidenziata con un esempio.

Una potenza elettrica di 5.500 kW deve essere fornita ad un carico a una distanza di 100 km.

Con una tensione di 220 V e cos φ = 1, otterremo una intensità di corrente I = 25 kA:

Per avere una caduta di tensione solo del 10%, a causa della resistenza del conduttore troviamo (eseguendo gli opportuni calcoli) che dovremmo installare un conduttore di rame con sezione di circa 4 m²; il che è praticamente impossibile.

Affinché la potenza possa essere sia con sezioni di conduttori che con cadute di tensione accettabili dobbiamo usare tensioni più alte e intensità di corrente più basse: usando una tensione di 220 kV, per esempio otteniamo una intensità di corrente di 25 A e una sezione di conduttore di circa 4 mm², valori più che accettabili.

Possiamo quindi affermare che grandi potenze possono essere trasmesse in modo economico, usando tensioni alte e correnti piccole.

Poiché i generatori di energia elettrica non possono, per ragioni costruttive, fornire tensioni molto elevate e l’energia elettrica non può essere utilizzata ad alta tensione, si ricorre allora al trasformatore. Nelle centrali vengono installati uno o più trasformatori elevatori che portano la tensione a valori molto alti, abbassando quindi la corrente. Alla fine della linea di trasmissione si installano trasformatori abbassatori che riportano la tensione ad un valore adatto per la distribuzione. Altri trasformatori abbassatori, poi, sono posti nelle cabine o presso gli utenti per portare la tensione ad un valore direttamente utilizzabile (380, 220 V).

I trasformatori vengono quindi usati in svariate applicazioni: per trasformare la tensione della rete di distribuzione cittadina a quella di 220 V necessaria per alimentare apparecchi di illuminazione o elettrodomestici, per alimentare segnali acustici e luminosi che funzionano a poche decine di volt, oppure per alimentare insegne luminose o apparecchi che funzionano a tensione elevatissima.

I trasformatori possono essere classificati in base alla potenza, al sistema di raffreddamento e al tipo di corrente. In base alla potenza possiamo distinguere:

• piccoli trasformatori – per potenze sino a 16 kVA;
• trasformatori di rete o da distribuzione – per potenze sino a 1.600 kVA;
• grandi trasformatori – per potenze da circa 2.000 kVA (2 MVA);

sino ai più grossi finora costruiti (ad esempio 1.000 MVA).

La Tabella 1 mette in relazione in maniera più articolata gli ordini di grandezza delle potenze dei diversi trasformatori con i relativi sistemi di raffreddamento adottati.

La classificazione è da intendersi orientativa e serve appunto a fornire degli ordini di grandezza.

Per quanto riguarda poi il tipo di corrente che li alimenta, i trasformatori sono suddivisi in monofasi e trifasi.

Sono monofasi quelli impiegati per circuiti di misura nell’alimentazione di amperometri, voltmetri, wattmetri, ecc…, nei casi in cui la corrente e la tensione da misurare hanno valori elevati: monofasi sono i trasformatori che alimentano circuiti di segnalazione e di comando. Infine esistono trasformatori monofasi per impieghi speciali quali l’illuminazione stradale in serie (a corrente costante) o per saldatrici, ecc…

Sono invece trifasi i trasformatori di potenza come quelli che alimentano stabilimenti industriali o utenze domestiche, e quelli per il trasporto dell’energia, impiegati in applicazioni particolari quali l’alimentazione di forni o per trazione elettrica.

In Figura 2 è riportato lo schema di un trasformatore, o meglio di un trasformatore ridotto alla sua più semplice espressione. Malgrado, comunque, non sia un tipo utilizzato nella pratica industriale, può servire ottimamente a fissare le idee su quelle che sono le parti essenziali e il funzionamento di ogni trasformatore per complesso che sia.

Esso è formato da due avvolgimenti separati elettricamente e avvolti su un nucleo di ferro: quello a cui viene fornita energia, chiamato avvolgimento primario e quello dal quale si ricava energia, secondario.

Durante il funzionamento, avviene un passaggio di energia, da uno all’altro dei circuiti che, essendo questi elettricamente separati, è dovuto all’effetto di mutua induzione: è un flusso magnetico concatenato con en­trambi i circuiti che fa da intermediario.

Ecco quindi la funzione del nucleo di ferro: quella di offrire la via al flusso in modo che si concateni con i due circuiti. Possiamo dire che tutta l’efficienza di un trasformatore risiede nel suo nucleo; la forma, la struttura, le dimensioni di questo sono alla base del progetto di qualsiasi trasformatore.

Osserviamo per esempio i due nuclei riportati in Figura 3.

Nel primo il circuito magnetico ha una riluttanza bassissima quindi il flusso circola agevolmente; nel secondo, invece, la presenza dello strato d’aria (traferro) dà luogo a riluttanza elevata che limita l’intensità di flusso.

Se l’avvolgimento primario, con numero di spire N₁, è collegato a una sorgente di tensione alternata V₁, questa produce un flusso magnetico alternato nel ferro che, a sua volta, concatenandosi con il secondario (numero di spire N₂), induce in esso una f.e.m. avente il medesimo periodo.

Questa f.e.m. ha valore nullo quando il flusso assume valore massimo (istante di variazione nullo del flusso) e viceversa ha valore massimo in corrispondenza ai punti di flusso nullo (nei quali la variazione di flusso avviene più rapidamente); essa è quindi sfasata di 90° in ritardo rispetto al flusso.

Il flusso inoltre si trova anch’esso sfasato in ritardo rispetto alla tensione che lo provoca e cioè rispetto alla tensione applicata al circuito primario.

Possiamo perciò riassumere nel modo seguente la situazione che si presenta a regime a circuito secondario aperto.

Circuito primario: una tensione variabile applicata all’ingresso crea un flusso alternato in ritardo di 90°, che a sua volta determina una f.e.m. indotta in ritardo di 90° sul flusso e cioè in opposizione alla tensione primaria e del medesimo valore di questa. In tali condizioni evidentemente nel circuito non può circolare corrente.

Circuito secondario: la variazione di flusso determina una f.e.m. variabile in ritardo di 90° su questo e cioè in opposizione con la tensione primaria applicata. Il circuito secondario è aperto e quindi non si ha circolazione di corrente. Se rappresentiamo in un diagramma vettoriale questa situazione otteniamo la Figura 4.

Osserviamo che il trasformatore non può funzionare in corrente continua; infatti per quanto visto, si basa sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica e, avendo gli avvolgimenti fissi è necessario che vi sia una variazione nel flusso per indurre una f.e.m. negli avvolgimenti.

Ritornando alla struttura del trasformatore ideale, il valore della f.e.m. indotta in una spira del primario o del secondario, come visto a suo tempo riguardo alla generazione di f.e.m. sinusoidali, vale:

E_m = 4 · f · Φ

Poiché, però, il rapporto fra il valore efficace e il valore medio di una grandezza alternata sinusoidale è di 1,11, abbiamo il valore efficace della f.e.m. indotta in una spira:

E = 1,11 E_m = 1,11 · 4 · f · Φ =4,44 · f · Φ

Poiché l’avvolgimento primario è composto da N₁ spire e il secondario da N₂ spire tra loro in serie, si sommano le f.e.m. indotte in esse, per cui gli avvolgimenti primario e secondario diventano sedi delle seguenti f.e.m.:

E₁ = 4,44 · f · Φ· N₁ al primario

E₂ = 4,44 · f · Φ· N₂ al secondario

Dal loro rapporto otteniamo:

Possiamo dire quindi che in un trasformatore senza carico (a vuoto) le f.e.m. indotte sono proporzionali ai rispettivi numeri di spire.

Il rapporto tra le f.e.m. indotte e fra il numero di spire si indica con k e viene definito rapporto di trasformazione.

Esso indica che se al secondario si vuole una tensione di valore k volte maggiore o minore di quella al primario, si deve fare l’avvolgimento secondario con un numero di spire k volte maggiore (o minore) dell’avvolgimento primario.

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